DE3151203C3 - Selbstregelnde Spannungsversorgungsschaltung - Google Patents
Selbstregelnde SpannungsversorgungsschaltungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine selbstregelnde Spannungsversor
gungsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Schaltung ist aus der GB 10 96 622 bekannt. Hier
bei ist eine sättigbare Resonanzdrossel über einen Teil der
Sekundärwicklung geschaltet, während der Resonanzkondensator
parallel zur gesamten Sekundärwicklung fließt. Der Ferroreso
nanzstrom fließt hier auch durch den anderen Teil der Sekun
därwicklung und erwärmt den Transformatorkern. Aus der DE-OS
15 13 769 ist eine Ferroresonanz-Regelschaltung bekannt, bei
welcher der aus Resonanzdrossel und Resonanzkondensator be
stehende Parallelresonanzkreis über eine normale Drossel an
die Sekundärwicklung des Transformators angekoppelt ist, so
daß der Ferroresonanzstrom nicht durch eine Transformatorwick
lung fließt und demnach nicht zur Erwärmung des Transforma
torkernes beiträgt. Durch die Entkopplung wird jedoch nur die
unmittelbar an dem Ferroresonanzkreis abgreifbare Spannung
geregelt, während die in der Sekundärwicklung selbst indu
zierte Spannung ungeregelt bleibt. Sollen die Spannungen
mehrerer Sekundärwicklungen geregelt werden, so wäre jede
Sekundärwicklung in der beschriebenen Weise zu beschalten,
benötigte also einen eigenen Ferroresonanzkreis.
Aus der GB 20 41 668 A ist eine Ferroresonanz-Regelschaltung
bekannt, bei der die auf einen Ferroresonanz-Transformator
gewickelte Hochspannungswicklung für die Bildröhre eines
Fernsehers mit der verteilten Wicklungskapazität einen Ferro
resonanzkreis bildet, der die Regelung der Hochspannung be
wirkt. Dabei hat der die Hochspannungswicklung durchfließende
Ferroresonanzstrom infolge Wirbelstrom- und Hysteresever
lusten eine Erwärmung des Transformatorkerns zur Folge, des
sen Sättigungseigenschaften sich mit der Temperatur ändern
und bei höherer Kerntemperatur die Regelungseigenschaften
schlechter werden lassen.
Beim Betrieb mit einer relativ hohen Eingangsfrequenz, wie
etwa der Horizontalablenkfrequenz von 15,75 kHz, ist ein
Ferroresonanz-Transformator ein relativ kompaktes und leich
tes Gebilde, welches von Haus aus Regeleigenschaften für die
Ausgangsspannung besitzt, ohne daß dazu relativ komplizierte
und aufwendige elektronische Regelschaltungen benötigt
werden.
Damit man bei 19 kHz einen hohen Wirkungsgrad erhält, kann
der magnetisierbare Kern eines Ferroresonanz-Transformators
aus einem Ferrit bestehen, wie etwa einem handelsüblichen
Mangan-Zink oder Nickel-Zink-Ferrit. Solche Ferritmaterialien
haben einen hohen Widerstand gegen Stromfluß, so daß nur
relativ kleine Wirbelstromverluste auftreten, die andernfalls
bei der relativ hohen Betriebsfrequenz von 16 kHz sehr hoch
wären. Die Hystereseverluste sind ebenfalls relativ niedrig.
Selbst wenn man einen Ferritkern benutzt, würden jedoch ohm
sche Verlust (I²R) in einer oder mehrern Wicklungen, sowie
Wirbelstromverluste und Hystereseverluste einen erheblichen
Anstieg der Kerntemperatur hervorrufen.
Die Sättigungsflußdichte Bsat eines magnetisierbaren Materials
sinkt mit zunehmender Kerntemperatur. Für Mangan-Zink-Ferrite
kann die Sättigungsflußdichte von etwa 4,5 kG (Kilogauss) bei
20° C auf 2,5 kG bei 150° C absinken. Da die Ausgangsspannung
eines Ferroresonanz-Transformators vom Wert der Sättigungs
flußdichte Bsat des Kernmaterials innerhalb der Ausgangswick
lungen abhängt, führt ein Anstieg der Kernbetriebstemperatur
zu einer unerwünschten Abnahme der Ausgangsspannung. Wenn bei
spielsweise die Ausgangsspannung eine Anodenhochspannung ist,
dann ist sie unmittelbar nach dem Einschalten des Fernseh
empfängers, wenn der Kern des Ferroresonanz-Transformators
noch die Umgebungstemperatur hat, höher als die Anodenhoch
spannung, die anschließend im Dauertemperaturbetrieb auftritt,
nachdem der Kern sich auf seine normale Betriebstemperatur
oberhalb der Umgebungstemperatur erwärmt hat.
Eine Wärmeabführung vom Kern zur Verringerung des Temperatur
anstieges ist bei einem Hochfrequenz-Ferroresonanz-Transfor
mator eines Fernsehempfängers relativ schwierig. Die Ausgangs
wicklungen des Ferroresonanz-Transformators einschließlich
der Hochspannungswicklung, welche eine relativ große Windungs
zahl hat, sind um den gesättigten Kernteil des Transformators
gewickelt und magnetisch eng miteinander gekoppelt. Die mehr
fachen Ausgangswicklungen und die große Windungszahl der Hoch
spannungswicklung beschränken den Zugang zum Kern für Wärme
abfuhrmaßnahmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ferroresonanz-
Regelschaltung zu schaffen, die eine nicht durch Kernerwär
mung beeinträchtigte Regelung der Spannungen mehrerer Sekun
därwicklungen mit geringem Aufwand erlaubt. Diese Aufgabe
wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
Gemäß der Erfindung enthält eine selbstregelnde Spannungsver
sorgungsschaltung einen Transformator mit einer ersten und
einer zweiten Wicklung. Die erste Wicklung hat Anschlüsse zur
Verbindung mit einer Eingangswechselspannungsquelle; die zwei
te Wicklung hat Anschlüsse zur Verbindung mit einer Last.
Eine Spule enthält einen sättigbaren, magnetisierbaren Kern
und mindestens eine um den Kern gewickelte Spulenwicklung.
Diese eine Spulenwicklung ist leitend mit der zweiten Wick
lung des Transformators verbunden, so daß bei Erregung an
der Spulenwicklung eine Spannung wechselnder Polarität auf
tritt. Die zweite Transformatorwicklung ist magnetisch von
der Spule isoliert, so daß der magnetische Fluß
des Spulenkerns nicht mit der zweiten Wicklung verkettet ist.
Durch magnetische Sättigung des Spulenkerns werden die Span
nungen an der Wicklung der Spule und der Sekun
därwicklung des Transformators, welche leitend miteinander
verbunden sind, geregelt. Eine dritte Wicklung des Transfor
mators, etwa die Hochspannungswicklung, erzeugt in Abhängig
keit von der geregelten Spannung, die an der Sekundärwick
lung des Transformators erscheint, eine geregelte Ausgangs
spannung wechselnder Polarität. Mit dieser dritten Wicklung
des Transformators ist eine Lastschaltung, wie etwa der
Anodenkreis gekoppelt, welcher von der geregelten Ausgangs
spannung gespeist wird.
Ein Vorteil der vorstehend beschriebenen Anordnung besteht
darin, daß das sättigbare Kernelement, welches für die
Spannungsregelung sorgt, kein Teil des Transformatorkerns
ist, um den die Ausgangssekundärwicklungen gewickelt sind,
welche die geregelten Versorgungsspannungen für den Fern
sehempfänger liefern. Somit ist die Hochspannungswicklung
um den Transformatorkern anstatt um den Kern der sättig
baren Spule gewickelt, so daß der sättigbare Kernabschnitt
für Wärmeabführmaßnahmen leichter zugänglich ist.
Ferner kann der Transformatorkern, um welchen die Sekundär
ausgangswicklungen gewickelt sind, im wesentlichen
im nicht gesättigten Bereich der BH-Schleife des Trans
formatorkernmaterials betrieben werden. Die Ausgangs
spannungen an den Transformatorsekundärwicklungen sind
trotzdem geregelt, weil die Wicklungen magnetisch eng mit
der "geregelten" Ausgangswicklung gekoppelt sind, welche
leitend mit der Spulenwicklung verbunden ist.
In den beiliegenden Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine Ferroresonanz-Spannungsversorgungsschaltung für
Fernsehzwecke gemäß der Erfindung und
Fig. 2 und 3 Signalformen, wie sie im Betrieb der Schaltung
nach Fig. 1 auftreten.
Gemäß Fig. 1 enthält eine Ferroresonanz-Spannungsversorgungs
schaltung 10 für einen Fernseher einen Transformator 22
und eine Ferroresonanzlastschaltung 20 mit einer sättig
baren Spule. Eine Primärwicklung 22a des Transformators 22
ist an eine Quelle 11 ungeregelter Eingangswechselspannung
Vin angeschlossen, die einen Inverter 21 und einen Ein
gangsgleichspannungsanschluß 23 aufweist, der mit einer
Mittelanzapfung der Primärwicklung 22a gekoppelt ist.
Dem Anschluß 23 wird eine ungeregelte Gleichspannung Va
zugeführt. Der Inverter 21 wird mit einer hohen Frequenz
betrieben, beispielsweise mit der Horizontalablenkfrequenz
von 15,75 kHz. Der Inverter 21 erzeugt die Eingangswechsel
spannung Vin als horizontalfrequente Rechteckspannung über
der Primärwicklung 22a.
Wenn die Spannung Vin der Primärwicklung 22a zugeführt wird,
dann entstehen horizontalfrequente Ausgangswechselspannungen
an den Sekundärausgangswicklungen 22b bis 22d und an einer
Hochspannungssekundärwicklung 22e. Die Enden 49 und 50
der Ausgangswicklung 22b sind mit Dioden 29 bzw. 30 ver
bunden, die als Doppelweggleichrichter arbeiten. Die Enden
48 und 51 der Ausgangswicklung 22c sind mit Dioden 27 bzw.
28 verbunden, die ebenfalls als Doppelweggleichrichter ar
beiten. Auch die Enden 47 und 52 der Ausgangswicklung 22d
sind mit als Doppelweggleichrichter arbeitenden Dioden 25
und 26 verbunden. Eine gemeinsame Mittelanzapfung 53 ist
an Masse gekoppelt.
Die an der Wicklung 22b entstehende Ausgangsspannung
wechselnder Polarität wird von den Dioden 29 und 30
doppelweggleichgerichtet und von einem Kondensator 34
zu einer Betriebsgleichspannung an einem Anschluß 31
von beispielsweise +25 Volt gefiltert, um Schaltungen
des Fernsehempfängers wie die Vertikalablenkschaltung
und die Tonfrequenzschaltung zu speisen. Die an der
Wicklung 22d entstehende Ausgangsspannung wechselnder
Polarität wird von den Dioden 25 und 26 doppelweggleich
gerichtet und von einem Kondensator 36 zu einer Versor
gungsgleichspannung an einem Anschluß 33 von beispiels
weise +210 Volt gefiltert zur Speisung von Schaltungen wie
dem Bildröhrentreiber.
Die an der Wicklung 22c entstehende Ausgangsspannung
wechselnder Polarität wird von den Dioden 27 und 28
doppelweggleichgerichtet und von einem Kondensator 35
zur Erzeugung einer Ablenkversorgungsspannung B+ am
Anschluß 32 für eine Horizontalablenkwicklung 41 gefil
tert. Zur Erzeugung des Horizontalablenkstromes in der
Horizontalablenkwicklung 41 ist ein Horizontalablenk
generator 40 über eine Eingangsdrossel 39 mit dem An
schluß 32 verbunden. Der Horizontalablenkgenerator 40
wird durch die Ablenkversorgungsspannung B+ gespeist
und enthält einen Horizontaloszillator und Treiber 43,
einen Horizontalausgangstransistor 44, eine Dämpfungs
diode 45, einen Horizontalrücklaufkondensator 46 und
einen S-Formungs- oder Hinlaufkondensator 42, der in
Reihe mit der Horizontalablenkwicklung 41 über dem
Horizontalausgangstransistor 44 liegt.
Die an der Hochspannungssekundärwicklung 22e auftretende
Ausgangsspannung wechselnder Polarität wird einer Hoch
spannungsschaltung 24 zur Erzeugung einer hochgespannten
Anodengleichspannung oder Beschleunigungsspannung am
Anschluß U für die nicht dargestellte Bildröhre des
Empfängers zugeführt. Die Hochspannungsschaltung 24 kann
eine übliche Spannungsvervielfacherschaltung nach Cockroft-
Walton sein oder eine Halbwellengleichrichterschaltung mit
mehreren Dioden, die zusammen mit einer Mehrzahl von hier
nicht einzeln dargestellten Wicklungsabschnitten der
Hochspannungssekundärwicklung 22e zu einer einzigen Ein
heit vergossen sind.
Die Sekundärausgangswicklungen 22b bis 22d und die
Hochspannungsekundärwicklung 22e sind magnetisch eng
miteinander gekoppelt. Zur Erreichung dieser engen
Kopplung können die Wicklungen konzentrisch um einen
gemeinsamen Teil des magnetisierbaren Kerns 122 des
Transformators 22 gewickelt sein. Wegen der engen
magnetischen Kopplung der Wicklungen haben die an den
Sekundärausgangswicklungen auftretenden Ausgangsspannungen
wechselnder Polarität alle dieselbe Kurvenform, wobei
geringe Abweichungen durch die relativ kleinen Streuin
duktivitäten zwischen den Ausgangswicklungen auftreten
können.
Zur Regelung der Spannungen an den Sekundärausgangswick
lungen gegen Amplitudenschwankungen der Eingangsspannung
Vin und gegen Lastschwankungen der an die Anschlüsse 31
bis 33 angeschlossenen Lastschaltungen und gegen Strahl
strombelastungsänderungen am Anodenanschluß U ist die
Ferroresonanzlastschaltung 20 mit einer Spule 37, 137 an
eine der eng miteinander gekoppelten Sekundärausgangs
wicklungen des Transformators 22 geschaltet. In Fig. 1
ist die Lastschaltung 20 mit der sättigbaren Spule bei
spielsweise über die Sekundärausgangswicklung 22d ge
schaltet.
Die Ferroresonanzlastschaltung 20 enthält eine Spulenwicklung 37, nachstehend Wicklung 37 genannt,
die um zumindest einen Teil eines
sättigbaren, magnetisierbaren Kerns 137, nachstehend Kern 137 genannt, gewickelt ist und
einen über die Wicklung 37 geschalteten Resonanzkondensator
38 enthält. Der Kern 137
kann ein üblicher Toroidkern oder ein rechteckiger Zwei
fensterkern sein.
In einer Ferroresonanzschaltung, wie der Ferroresonanzschaltung
20 mit einer Spule 37, 137 nach Fig. 1 ist die
Ausgangsspannung Vout an der Spule 37, 137 geregelt.
Durch Anschließen der Ferroresonanzschaltung 20
an die Sekundärausgangswicklung 22d des Transformators 22
arbeitet die Schaltung 20 als mit der Wicklung 22d gekoppelte
regelnde Lastschaltung, um die Spannung an der
Wicklung 22d auf der geregelten Ausgangsspannung Vout zu halten. Wenn die
Spannung an der Sekundärwicklung 22d durch die Ferrore
sonanzlastschaltung 20 geregelt wird, dann sind auch die
Ausgangsspannungen an allen anderen Sekundärwicklungen,
welche eng mit der Wicklung 22d gekoppelt sind, geregelt.
Die Ausgangsspannungen an den Wicklungen 22e und 22c und
an der Hochspannungsausgangswicklung 22e werden durch die
Regelung der Ausgangsspannung Vout der Ferroresonanz
schaltung 20 somit geregelt.
Der Transformator 22 weist eine erhebliche Streuindukti
vität zwischen der Primärwicklung 22a und jeder der eng
gekoppelten "geregelten" Sekundärwicklungen 22b bis 22e
aus. Die lose Kopplung der Primärwicklung mit den Sekun
därausgangswicklungen erlaubt, daß die Ausgangsspannung
durch die Ferroresonanzschaltung 20 im wesentlichen kon
stant gehalten wird, selbst wenn die an die Primärwicklung
22a zugeführte Spannung sich mit Änderungen der Eingangs
wechselspannung Vin verändern sollte. Die Streuinduktivität
zwischen der Primärwicklung 22a und jeder der Sekundär
wicklungen 22b bis 22e kann in den Transformator 22 hinein
konstruiert sein, in dem der magnetisierbare Kern 122
des Transformators als geschlossene Schleife rechteckiger
Form ausgebildet ist. Die Primärwicklung 22a kann um einen
Schenkel des Kerns 122 gewickelt sein, und die Se
kundärwicklungen 22b bis 22e können konzentrisch um einen
gegenüberliegenden Schenkel gewickelt sein.
Betrachtet man das elektrische Ersatzschaltbild des Trans
formators 22, dann erscheinen die an die Anschlüsse 31 bis
33 und den Anodenanschluß U angeschlossenen Lastschaltungen
für die Primärwicklung als Lastimpedanzen parallel zur
transformierten Ferroresonanzlastschaltung 20. Wegen der
losen magnetischen Kopplung zwischen Primärwicklung 22a und
den Sekundärwicklungen 22b bis 22e "sehen" die transformierte
Ferroresonanzlastschaltung und die anderen parallelen Lasten
eine äquivalente Impedanz in Reihe mit der Quelle 11 der
Eingangswechselspannung Vin. Diese äquivalente Impedanz,
die aus der losen magnetischen Kopplung des Transformators 22
resultiert, gleicht Änderungen der Eingangsspannung aus,
während sie Schwankungen der Ferroresonanzlastschaltung
und der Spannungsamplitude an der Ausgangswicklung im Ver
gleich zu Spannungsamplitudenschwankungen der Primärwicklung
erheblich reduziert.
Fig. 2a zeigt eine rechteckförmige, ihre Polarität wechselnde
Eingangsspannung Vin, die von der Quelle 11 an die Primär
wicklung 22a des Transformators 22 angelegt wird. Fig. 2b
veranschaulicht die geregelte Ausgangsspannung Vout die
an der Ferroresonanzlastschaltung 20 mit der
Spule 37, 137 und der Sekundärausgangswicklung 22b des Transformators
22 erscheint. Die geregelte Spannung Vout ist eine Spannung
wechselnder Polarität und gleicher Frequenz wie die Ein
gangsspannung Vin mit allgemein abgeflachten Teilen 14
wechselnder Polarität, welche durch allgemein sinusförmige
Abschnitte 15 miteinander verbunden sind.
In den Intervallen der abgeflachten Teile der geregelten
Ausgangsspannung Vout, etwa zwischen den Zeiten t₀-t₁ in
Fig. 2b, wird der zur Spule 37, 137 gehörige magnetisierbare
Kernteil im magnetisch ungesättigten
Bereich der BH-Schleife des Kernmaterials betrieben. Die
Wicklung 37 der Spule 37, 137 hat während der unge
sättigten Intervalle der abgeflachten Teile relativ große
Induktivität. In der Wicklung 37 fließt zwischen den Zeiten
t₀-t₁ ein relativ kleiner Strom isr, der in Fig. 2b ausge
zogen gezeichnet ist.
Da die Wicklung 37 der Spule 37, 137 während der abge
flachten Teile oder magnetisch ungesättigten Intervalle
der Ausgangsspannung Vout eine relativ hohe Impedanz hat,
entlädt sich der Resonanzkondensator 38 nur wenig in die
Wicklung 37 der Spule 37, 137, und der Kondensator behält
eine relativ konstante Ausgangsspannung Vout, welche den
Spulenanschlüssen zugeführt wird, wie dies durch den rela
tiv kleinen Kondensatorstrom ic zwischen den Zeitpunkten
t₀-t₁ gestrichelt in Fig. 2b gezeichnet ist.
Wird die Ausgangsspannung Vout vom Kondensator 38 an
die Wicklung 37 gelegt, so führt sie zu einem Fluß
aufbau im Kern 137, bis der Kern nahe dem Zeitpunkt t₁
im wesentlichen magnetisch gesättigt ist. Wenn sich der
Kern 137 beim Zeitpunkt t₁ magnetisch sättigt, dann nimmt
die Induktivität der Spule 37, 137 erheblich ab. Die
Induktivität der Spule 37, 137 kann beispielsweise 20 bis 60
mal kleiner als im ungesättigten Fall sein.
Nachdem der Kern 137 magnetisch gesättigt worden ist, erzeugen
der Kondensator 38 und die Wicklung 37
einen Halbzyklus einer Resonanzstromschwingung, wie dies
in Fig. 2b durch den Stromimpuls 12 des Spulenstromes
isr veranschaulicht ist und durch den Stromimpuls des
Kapazitätsstromes ic zwischen den Zeiten t₁-t₄ gezeigt ist.
Der Resonanzstrom oder Schwingungsstrom in der Wicklung 37
der Spule 37, 137 und im Kondensator 38 erreicht zur
Zeit t₃ eine maximale Größe. Die Ausgangsspannung Vout
kehrt ebenfalls zu dieser Zeit ihre Polarität um.
Nahe dem Zeitpunkt t₄ hat sich der Resonanzstromimpuls 12
genügend verkleinert, so daß der Kern 137 aus der Sättigung
herausgerät und die Wicklung 37 der Spule 37, 137 wieder eine hohe
Impedanz aufweisen kann. Die Spannung über dem Kondensator 38,
also die geregelte Ausgangsspannung Vout, beendet ihre
schnelle Änderungen und geht auf die Werte des abgeflachten
Teils der entgegengesetzten Polarität über. Während des
Intervalls t₄-t₅ für den abgeflachten Teil entgegengesetzter
Polarität wird der Kern 137 wiederum im magnetisch unge
sättigten Bereich der BH-Schleife betrieben. Der Fluß im
Kern 137 kehrt seine Richtung während dieses Intervalls
um und baut sich im wesentlichen bis zum Sättigungsfluß
wert nahe dem Zeitpunkt t₅ auf, wo sich der Kern wiederum
magnetisch sättigt. Der Strom in der Wicklung 37
durchläuft dann zwischen den Zeiten t₄-t₅ den anderen Halb
zyklus der Schwingung.
Die Ferroresonanzlastschaltung 20 mit der Spule 37, 137
arbeitet als magnetischer Spannungsregler zur Aufrecht
erhaltung einer Ausgangsspannung Vout relativ konstanter
Amplitude bei variierender Eingangsspannung und bei
variierender Last an den verschiedenen Sekundärausgangs
wicklungen, wie etwa bei schwankender Strahlstrombe
lastung am Anodenanschluß. Wenn der Kondensator 38 einen
genügend großen Wert hat, dann ist die Wechselspannungs
komponente der abgeflachten Teile der Ausgangsspannung
Vout relativ klein. Die Fläche unter dem abgeflachten
Teil der Spannungskurve Vout ist gleich dem zeitlichen
Integral der Ausgangsspannung Vout über das Intervall
des abgeflachten Teils oder stellt äquivalent gesehen
die maximale Änderung der Flußverkettung der Wicklung
37 dar.
Die maximale Flußverkettung der Spule 37, 137 ist proportional
zur Sättigungsflußdichte Bsat des magnetisierbaren Ma
terials des Kerns 137. Da die maximale Flußverkettung
der Wicklung 37 einen im wesentlichen konstanten
Betrag darstellt, der unabhängig von Eingangsspannungs
schwankungen ist, ist auch die Fläche unterhalb des abge
flachten Teils der Ausgangsspannung Vout unabhängig von
Eingangsspannungsänderungen konstant. Damit wird die
Amplitude der Ausgangsspannung Vout geregelt und hat einen
sich praktisch nicht verändernden Wert, solange die Dauer
des abgeflachten Teils der Ausgangsspannung Vout, während
welcher der Kern 137 ungesättigt bleibt, relativ
fest ist.
Die Periode der ihre Polarität wechselnden Ausgangs
spannung Vout ist gleich derjenigen der Eingangsspannung
Vin und hat eine feste Dauer. Auch ist innerhalb dieser
Periode die Dauer der Intervalle t₁-t₄ und t₅-t₆ magne
tischer Sättigung festgelegt durch den Wert der Indukti
vität der Wicklung 37 nahe oder bei der Sättigung und
durch den Wert des Kondensators 38. Die Dauer der Ab
schnitte der Ausgangsspannung Vout ohne Sättigung ist
daher ebenfalls fest, so daß die Ausgangsspannung eine
relativ konstante Amplitude haben kann.
Da die Sekundärausgangswicklung 22d des Transformators 22
über die Ferroresonanzlastschaltung 20 mit der
Spule 37, 137 geschaltet ist, muß die Spannung an der Ausgangs
wicklung 22 den Wert der geregelten Ausgangsspannung Vout
annehmen, selbst wenn sich die Amplitude der Ausgangs
spannung Vin ändert. Alle anderen Sekundärausgangswick
lungen 22b, 22c und die Hochspannungswicklung 22e müssen
ebenso geregelte Spannungen liefern. Änderungen der Ein
gangsspannung und der Belastung der Ausgangswicklungen
führen zu Phasenverschiebungen der Ausgangswechsel
spannung Vout gegenüber der Phasenlage der Eingangswechsel
spannung Vin, jedoch bleibt die Amplitude der Ausgangs
spannung Vout relativ unverändert.
Die Fig. 2a und 2b zeigen, daß bei einem Betriebszustand
mit der Solleingangsspannung und einer mittleren Belastung
der Ausgangswicklungen 22b bis 22e, also bei einer Strahl
strombelastung von etwa ½ Milliampere, die Ausgangs
spannung Vout in ihrer Phase um eine Größe Δt gegenüber
der Phase der Eingangsspannung verzögert ist. Die Phasen
verzögerung Δt ergibt sich wegen der Leistungsverluste in
den Lastschaltungen, die mit den Sekundärausgangswicklungen
22b bis 22e gekoppelt sind. Die Phasenverzögerung zwi
schen den Spannungen Vin und Vout erlaubt eine Leistungs
übertragung von der Quelle zur Last an der Sekundäraus
gangswicklung während jedes Zyklus der Eingangs- oder
Ausgangsspannungsschwingung.
Die Fig. 2a und 3a zeigen, daß bei Änderungen der Ein
gangsspannung Vin vom Wert einer hohen Netzeingangs
spannung auf eine niedrige Netzspannung die Phasenver
zögerung der Ausgangsspannung Vout von einem Verzögerungs
wert Δt₁ auf Δt₂ anwächst. Die Phasenverzögerung ver
größert sich bei niedriger Eingangsspannung, weil dann
zur Übertragung derselben mittleren Leistung zu den Se
kundärwicklungslasten eine größere Phasenverzögerung be
nötigt wird. Wenn auch die Phasenverzögerung der Aus
gangsspannung Vout bei niedrigerer Eingangsspannung an
wächst, so ändert sich doch die Amplitude der Ausgangs
spannung Vout und die mittlere Halbzyklusspannung nicht
nennenswert, so daß man die gewünschte Regelung gegen
Eingangsspannungsänderungen erhält.
Die Fig. 3c und 3d zeigen, daß bei einem Anwachsen der
Strahlstrombelastung am Anodenanschluß U von 0 auf 1,7 Milli
ampere die Phasenverzögerung der Ausgangsspannung Vout
von einem Verzögerungswert Δta auf Δtb bei beispielsweise
dem gleichen nominellen Eingangsspannungswert anwächst.
Die Phasenverzögerung vergrößert sich, weil zur Über
tragung von mehr mittlerer Leistung bei einer stärkeren
Sekundärwicklungsbelastung eine größere Phasenverzögerung
erforderlich ist. Wenn auch die Phasenverzögerung der
Ausgangsspannung Vout angewachsen ist, so hat sich doch
die Amplitude der Ausgangsspannung Vout in Fig. 3d und
die mittlere Halbzyklusspannung nennenswert verändert,
so daß man die gewünschte Regelung gegen Lastschwankungen
erhält.
Eine Eigenschaft der Erfindung liegt darin, daß sie an
den Sekundärwicklungen des Transformators Ausgangs
spannungen liefert, ohne daß der zu der Sekundärwicklung
gehörige Kernteil des Transformators gesättigt werden
muß. Deshalb bestehen für den mit der Wechselspannungs
quelle gekoppelten Leistungstransformator, wie etwa den
Transformator 22 in Fig. 1 nicht solche Konstruktions
beschränkungen, wie sie für einen Ferroresonanztransfor
mator gelten. Im Gegensatz zur Verwendung eines Ferro
resonanztransformators kann der Teil des magnetisier
baren Kerns 122 des Transformators, der innerhalb der
Sekundärausgangswicklungen 22b bis 22d des Transformators
liegt, im linearen Bereich der BH-Schleife des Kern
materials liegen. Der Kern bleibt deshalb während des
gesamten Ausgangswechselspannungszyklus magnetisch unge
sättigt.
Es ergeben sich eine Reihe von Vorteilen bei Verwendung
der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig. 1, bei der
ein Leistungstransformator geregelte Ausgangsspannungen
an Sekundärausgangswicklungen liefert, dennoch aber der
Kern des Transformators im linearen Bereich seiner BH-
Schleife betrieben wird und die Regelung durch eine
getrennte Ferroresonanzschaltung sättigbarer Spule be
wirkt wird, die als regelnde Last über eine der Aus
gangswicklungen des Leistungstransformators geschaltet
ist. Bei einer Ferroresonanztransformatoranordnung,
die sich von der Anordnung gemäß Fig. 1 unterscheidet,
fließt beispielsweise ein relativ hoher Kreisstrom oder
Resonanzstrom in einer der Ausgangswicklungen des Ferro
resonanztransformators. Zur Verringerung der ohmschen
Verluste in dieser Wicklung benötigt man einen relativ
dicken Leitungsdraht (also einen solchen mit großem
Querschnitt). Ein solcher dicker Spulendraht behindert
aber eine enge Kopplung, so daß die Streuinduktivität
höher als erwünscht wird.
Im Gegensatz dazu fließt kein hoher Resonanzstrom in
irgendeiner der Ausgangssekundärwicklungen des Leistungs
transformators 22 nach Fig. 1. Wie beispielsweise Fig. 2c
zeigt, hat der Strom iw, der aus der Ausgangswicklung
22d der Ferroresonanzlastschaltung fließt, eine relativ
kleine Amplitude mit einem Spitzenwert, der veranschau
lichungshalber zehn mal kleiner oder noch kleiner als der
Spitzenwert des Resonanzstromimpulses 12 ist, welcher
in der Wicklung 37 fließt. Es muß nur im Mittel
genug Strom iw aus dem Transformator 22d herausfließen,
um die Verluste auszugleichen, die während jedes Zyklus
der geregelten Ausgangsspannung Vout wechselnder Polarität
entstehen. Hierbei handelt es sich um Hystereseverluste,
um Wirbelstromaufheizung des Kerns 137
der Spule, und um ohmsche Verluste in der Wicklung 37,
ferner um Energieverluste, die im Kondensator 38 während
jedes Zyklus der Ausgangsspannung Vout entstehen wegen
des aus dem Anschluß 33 herausfließenden Laststroms und
wegen des zu den Lastschaltungen fließenden Stroms, die
den Anschlüssen 31 und 32 und dem Anodenanschluß verbunden
sind und transformiert in der Ausgangswicklung 22d er
scheinen.
Ein anderer Vorteil der Anordnung nach Fig. 1 liegt in
der größeren Flexibilität beim Entwurf, die sich für die
Wahl der Parameter der Ferroresonanzlastschaltung 20
der Spannungsversorgungsschaltung 10 ergibt, ohne daß der
Leistungstransformator 22 umkonstruiert werden müßte.
Weil die Sekundärausgangswicklung 22d des Transformators
22 magnetisch von der Wicklung 37 und dem
Kern 137 der Spule 37, 137 isoliert ist, weil
also der im Kern 137 fließende Magnetfluß nicht
mit der Transformatorausgangswicklung 22d verkettet ist,
erfordern Konstruktionsänderungen des
Kernes 137 und Änderungen des Wertes des vom Kondensator 38
gelieferten Resonanzstromes keine nennenswerten Kon
struktionsänderungen des Transformators 22, sofern die
Änderungen in der Ferroresonanzlastschaltung 20 die Rege
lung der Ausgangsspannung Vout nicht nennenswert ver
schlechtern.
Die Amplitude der von der Ferroresonanzlastschaltung 20
erzeugten Ausgangsspannung Vout hängt von den Eigenschaften
des Magnetmaterials des Kerns 137 bezüglich der
Sättigungsflußdichte Bsat ab. Zur Verringerung von Wirbel
stromverlust im Kern 137 beim Betrieb mit einer relativ
hohen Frequenz von 16 kHz oder darüber, wird ein Kern
material mit einem relativ hohen Widerstand gegen ein
Fließen von Wirbelströmen gewählt. Für den
Kern 137 geeignete handelsübliche Kernmaterialien
sind beispielsweise Mangan-Zink-Ferrite, Nickel-Zink-
Ferrite oder Lithium-Ferrite. Herstellungstoleranzen
bei der Produktion des Ferritkernmaterials können zu
relativ großen Toleranzen des Wertes Bsat des Materials
führen.
Zur Berücksichtigung der Toleranz von Bsat zwischen
einzelnen Kernen kann die Anzahl der um den Kern 137
herumgewickelten Leiterwindungen der Wicklung 37
für jeden Kern verändert werden, so daß die Ausgangs
spannung Vout sich nicht von Einheit zu Einheit verändert.
Weil die geregelten Ausgangsspannungen für die meisten
Fernsehempfängerschaltungen an den Ausgangswicklungen
eines getrennten Transformators abgenommen werden, er
fordern die Toleranzen von Bsat des Kernes 137 und die
Änderungen der Leiterwindungszahl für die Wicklung 37
zur Kompensation dieser Toleranzen keine entsprechenden
Änderungen der Windungszahlen oder anderer Parameter
des Transformators 22.
Der Wert Bsat des magnetisierbaren Materials des
Kerns 137 hängt von der Betriebstemperatur des Kernes ab,
und zwar sinkt Bsat mit steigender Betriebstemperatur.
Nach dem anfänglichen Einschalten des Fernsehempfängers
erwärmt sich der Kern 137 wegen der im Betrieb auf
tretenden Hystere und Wirbelstromverluste und der Auf
heizung durch die ohmschen Verluste (I²R) des Leiter
drahtes der Wicklung 37, die um den Kern 137 ge
wickelt ist. Vor dem Einschalten der Spannungsversorgungs
schaltung 10 hat der Kern 137 die Um
gebungstemperatur. Nach dem Einschalten erwärmt sich der
Kern 137 auf irgendeine Dauertemperatur oberhalb der
Umgebungstemperatur. Während des Zeitintervalls, wo sich
der Kern erwärmt, nimmt der Wert Bsat des Kernes ab.
Daher nimmt die Ausgangsspannung Vout der regelnden Ferro
resonanzlastschaltung 20 von ihrem Anfangswert beim
Einschalten des Fernsehers auf einen niedrigeren Dauer
wert ab, wenn die endgültige Betriebstemperatur des
Kerns 137 erreicht ist.
Um die Temperaturänderung zwischen Einschalttemperatur
und Betriebsdauertemperatur klein zu halten, kann man
in üblicher Weise für eine Wärmeabfuhr von der Wicklung 37
und dem Kern 137 der sättigbaren Spule zu einem Kühl
körper oder zum Metallchassis des Fernsehers sorgen.
Die Wärmeableitung vom Kern 137 ist
bei der erfindungsgemäßen Anordnung, wo nur eine oder
eine kleine Anzahl von Wicklungen um den Kern 137
gewickelt ist, mit relativ geringerem Aufwand zu
erreichen als von einem sättigbaren Kernteil eines Ferro
resonanztransformators, der viele Ausgangsspannungen
an vielen Ausgangswicklungen liefert, welche um den
sättigbaren Kernteil des Resonanztransformators herum
gewickelt sind. Weiterhin ist es auch schwieriger, von
einem Ferroresonanztransformator Wärme abzuführen, der
eine Hochspannungswicklung hat, weil die große Anzahl
von um den sättigbaren Kernteil des Transformators
gewickelten Windungen diesen Kernteil unzugänglich macht.
Bei der Anordnung gem. Fig. 1 ist keine Wärmeableitung
vom Kern 122 des Leistungstransformators 22 notwendig,
weil das Kernmaterial dieses Transformators im linearen
Gebiet seiner BH-Kennlinie betrieben wird und daher re
lativ geringe Kernverluste und ein geringerer Betriebs
temperaturanstieg auftreten. Weiterhin fließen in keiner
der Ausgangswicklungen des Transformators 22 Resonanz
ströme. Die ohmschen (I²R) Verluste in den Ausgangswick
lungen des Transformators und die Aufheizung des Trans
formatorkerns 122 sind daher relativ unbedeutend. Bei
einem Ausführungsbeispiel des Leistungstransformators 22
hatte die Primärwicklung - von der Mittelanzapfung bis
zum Ende - eine Induktivität LP = 2,03 Millihenries, die
Sekundärinduktivität der Sekundärwicklung 22d betrug
LS = 10,3 Millihenries und die Gegeninduktivität zwischen
diesen beiden Wicklungen betrug M = 3,35 Millihenries.
Das Kernmaterial kann ein Mangan-Zink-Ferrit sein, und
der Transformatorkern kann irgendeine geeignete geo
metrische Form haben, welche zu diesen Induktivitäts
werten führt und bei der der Kern magnetisch ungesättigt
bleibt.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Ferroresonanzlast
schaltung 20 kann der Kondensator 38 einen Wert von
0,033 Mikrofarad haben, die Sättigungsflußdichte des
Kernmaterials, die Querschnittsfläche und die Windungs
zahl können dann so gewählt werden, daß die Ausgangs
spannung Vout eine Kurvenform ähnlich wie in Fig. 2b
während der "ungesättigten" Intervalle t₀-t₁ und t₄-t₅
hat, wobei der Wert der ungesättigten Induktivität der
Spule 37, 137 relativ groß ist, nämlich in der Größenordnung
von 1 Henry ist. Die Windungszahl, die Kernform, wie die
mittlere Magnetweglänge und die Querschnittsfläche,
und die BH-Charakteristik des Kernmaterials sind so
bemessen, daß beim Auftreten einer wesentlichen ma
gnetischen Sättigung in der Nähe der Zeitpunkt t₁ und
t₅ in Fig. 2a die Induktivität der Spule 37, 137 Spitzen
strömen erheblich absinkt auf etwa 500 Mikrohenry oder
noch weniger. Ein geeignetes Kernmaterial kann ein
Ferrit wie ein Lithium-Wismuth-Ferrit sein, welches
den zusätzlichen Vorteil einer relativ kleinen Ände
rung von Bsat mit Betriebstemperaturänderungen des
Kernes im Vergleich zu vielen anderen Ferriten hat.
Der Kern kann als Toroid oder als Doppel-E-Kern ausgebildet
sein.
Claims (1)
- Selbstregelnde Spannungsversorgungsschaltung (10), insbe sondere für ein Fernsehsystem,
- - mit einem Transformator (22), der drei Wicklungen hat, von denen die erste Wicklung (22a) Anschlüsse zur Verbindung mit einer Eingangsspannungsquelle (11) aufweist, um eine Spannung wechselnder Polarität in der zweiten (22d) und dritten (22e) Wicklung zu induzieren, mit einer Spule (37, 137), die mindestens eine um einen sättigbaren, magneti sierbaren Kern (137) gewickelte Spulenwicklung (37) auf weist, die mit der zweiten Wicklung (22d) des Transforma tors (22) leitend zusammengeschaltet ist, von dieser aber magnetisch isoliert ist derart, daß der im Spulenkern (137) fließende Magnetfluß nicht mit der zweiten Wicklung (22d) des Transformators verkettet ist,
- - mit einer Kapazität (38), die mit der Spulenwicklung (37)
zur Erzeugung eines zirkulierenden Stroms
gekoppelt ist, welcher dazu beiträgt, daß der zu dieser
Spulenwicklung (37) gehörige Kern magnetisch gesättigt
wird, derart, daß der zirkulierende Strom Änderungen der
Spannungsamplitude an der mit der Spulenwicklung (37) zu
sammengeschalteten zweiten Wicklung (22d) des Transforma
tors (22) kleiner als Amplitudenänderungen der Eingangs
spannung werden läßt,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung eines großen Resonanzstromflusses in der zweiten oder dritten Transformatorwicklung (22d bzw. 22e), - - die Kapazität (38) direkt parallel zur Wicklung (37) geschaltet ist und
- - daß die dritte Wicklung (22e) des Transformators (22) eine magnetisch eng mit dessen zweiter Wicklung (22d) gekoppelte Hochspannungswicklung (22e) ist, die mit einer Hochspan nungsschaltung (24) zur Erzeugung einer Anodenhochspannung gekoppelt ist.
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